国内外高纯生铁的应用和发展
2013-04-09 09:08:45   来源： ()　   评论：0 点击：

　　我国十八大以后，将会沿着创新技术、发展新型绿色环保的产业路线前进。铸造行业是先进制造业的基础，我国的铸铁件生产数量近十年来一直处于世界第一位，而且逐年提升，品质迅速提高。诚然我们应在学习国外先进技术的前堤下，科学创新，能够依国情和世界市场的需求，生产出高端铸铁件。为此，高纯生铁作为生产优良材质的铸铁件就是必需的原材料之一，为此，中国铸协积极配合国家工信部己经完成并抓紧完善我国高纯生铁的生产和标准化工作，下面做以简要综述：

　　从上世纪60年代开始，世界各国铸铁行业的熔炼工艺都发生了一项重要的变革，采用感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多。尤其是上世纪70年代以后，中频无心感应电炉的电源有了重大的改进，熔制铸铁时热效率可达到70%，电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展，因而其应用日益广泛。

　　用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中铸造生铁锭的用量逐步减少，废钢所占的份额则相应增多，而钢材中的合金元素对铸铁(特别是球墨铸铁)的性能却大都有负面影响，甚至成了污染元素。

　　近20年来，各种钢材都在向薄壁化、轻量化、强韧化的方向发展，高强度、低合金钢的应用范围日益扩大。1980年前后，常用的一般钢材主要是碳钢，其中低合金钢所占的比重不到20%，2005年，常用钢材中低合金钢所占的比重已达50%左右，甚至更高一些。从资源的充分利用、各种装备的轻量化、工艺技术的进步等方面看来，当然是好事，而且这种趋势今后仍将继续，但是，废钢中这类合金元素的增多，却给铸铁行业带来了许多棘手的问题，不能不采取必要的应对措施。

　　除此以外，由于对废钢的需求量大增，其来源涉及到各行各业，混入一些污染元素，如铅、铝、锌等，也在所难免。

　　与此同时，随着工业的发展和技术的进步，对各类铸件的质量要求日益提高。目前大家关注度比较高的是：对高性能球墨铸铁件和厚截面、铁素体球墨铸铁件的需求增多，等温淬火球墨铸铁件和蠕墨铸铁件也逐步推广应用。所有这些，都要求提高铸铁材质的纯净度，炉料带来的干扰元素的影响已成为大家不能不面对的问题，高纯生铁的生产和应用，也就成了铸造行业关注的重点。

　　还应该注意到，迄今为止，世界各国各种灰铸铁件的用量仍然远多于球墨铸铁件和蠕墨铸铁件的总和。而且，对灰铸铁件的内在质量、铸件的薄壁化、以及产品品质一致性等方面的要求日益严格。因此，对于灰铸铁的熔炼，以高纯生铁作为金属炉料的考虑正日益受到重视。

　　除了瑞典生产的、传统的木炭生铁以外，最早生产高纯生铁的是加拿大的QIT-Fer et Titane公司，该公司位于Quebec省的Sorel，其东北方向约1000 km处出产富钛的铁矿，该公司用以生产高纯生铁和含钛的铁合金。QIT公司的含义，实际上就是魁北克铁、钛公司。

　　其生产的高纯生铁的商品名称，按公司的所在地，称为“Sorelmetal”，也就是QIT铸造用高纯生铁。Sorelmetal的生产已有约50多年的历史，起初，广泛应用于美国和加拿大的汽车行业，后来销往世界各国，我国也早就有铸造企业在炉料中配用。后来，QIT公司在南非建立了RMB公司，也生产Sorelmetal。

　　据QIT公司的介绍， Sorelmetal并不是用高炉冶炼的，而是将铁矿石和无烟煤混合后置电弧炉中，经加热、还原、熔化制成的。

　　将高炉铁液予以氧化处理(氧化法)，也可以制成高纯生铁。用此种方式生产高纯生铁的工艺要点是：将高炉冶炼得到的铁液用氧气或空气吹炼，予以氧化处理。通过氧化处理，可以大幅度脱除铁液中的磷，部分脱硫，同时，硅、锰、钛、钒、铬等易于氧化的元素也随之脱除了，因而，其中各种杂质的含量都很低。纯化处理所用的设备可以是转炉，也可以在反射炉或大型盛铁桶中吹炼。

　　自上世纪70年代后期起，日本的新日本制铁和神户制钢所都开始用氧化法生产高纯生铁。据报道，俄罗斯、巴西也已开始用这种工艺生产高纯生铁。

　　目前，我国也有三家用高炉冶炼生铁的厂家生产高纯生铁：位于河北省承德市的宝通公司，采用氧化法进行纯化处理;也有厂家，由严格控制原料铁矿石的成分生产高纯生铁。我认为我国目前除极少数对高炉铁水，采用氧化法进行纯化处理的厂家以外，采用迭购国内外优质铁精粉、球团原料(如进口的优质乌克兰铁矿源)用高炉低温低硅降钛，高炉铁水出炉铸锭前增硅等工艺生产的高纯生铁，还是初级的产品，达不到真正高纯生铁的要求标准，我认为，在工信部所公布的145家生产销售的生铁尚有待进一步创新工艺流程，使其铸造生铁产品真正达到能生产优质各类灰铁件、蠕铁件、球铁件的对生铁的技术要求。

　　图1是在大型盛铁桶中用空气吹炼、纯化的作业示意图。

　　图1 在盛铁桶中进行纯化处理的示意图

　　QIT-Fer et Titane公司和南非RMB公司供应的“Sorelmetal”，化学成分参见表1和表2。日本新日本制铁公司生产的高纯生铁的牌号和化学成分规格见表3。

　　表1 Sorelmetal RF-1高纯生铁5项基本元素的含量(%)

　　表2 Sorelmetal RF-1高纯生铁中杂质元素含量的实际测定值(%)

　　表3 新日本制铁公司高纯生铁的牌号和成分规格(未列范围者为最高值) (%)

　　为适应我国铸造行业发展的需要，目前，中国铸造协会于2011年1月已经公布制定了“铸造用高纯生铁”的行业标准。

　　应该特别提到：吹炼高纯生铁时产生的炉渣是可再生的资源，其中含有多种金属氧化物，视铁矿石的成分，可以从中提取炼稀、贵的金属。例如，QIT-Fer et Titane公司炼铁所用的铁矿石中就含有相当高的钛，而且也充分利用了这一资源。如果所用的铁矿石含有较多的钒和钛，吹炼高纯生铁时产生的炉渣就是提炼钒、钛的原料，经由炉渣再利用所得的收益实际上并不低于生铁的价值。因此，炼铁厂生产高纯生铁，如实现了资源的充分利用，其售价可以不很高，在这方面也就会颇具优势。

　　应该特别提出的是：目前，为了适应不同客户的需求，高纯铸铁的品种也在不断发展，品质也在不断提高，这里，根据神户制钢对其近期研究工作所的报道，作简要的介绍如下。

　　一、单纯氧化法生产的高纯铸铁有待改进之处

　　铸铁行业中采用氧化法制取的高纯生铁，已有50多年的应用历史，由于其中的磷、硫、钛、钒及各种易氧化元素的含量都很低，能显著减轻废钢中各种合金元素和干扰元素对铸铁件质量的负面影响，对于提高铸件的品质起到了重要的作用。但是，在实际应用过程中，也逐渐体验到，它还有以下一些不能尽如人意之处，需要不断地加以改进和提高。

　　1、由于受到强氧化的作用，硅含量很低，生铁锭全部为白口组织，用以熔制的铁液中，碳质核心太少，过冷度大，孕育处理的效果不好，铸件易于产生过冷组织和收缩缺陷，尤不利于生产优质的薄壁灰铸铁件;

　　2、虽然这种高纯生铁中各种干扰元素的含量都很低，但其碳当量偏离共晶点太多，熔点高，用感应电炉熔炼时能耗较高;

　　3、这种高纯生铁中氧和氮的含量高，而且经氧化处理后，生铁中含有的非金属夹杂物也较多。用以作为基本原材料制成的铸件，对气孔缺陷比较敏感，如果生产过程中又有其他因素的作用，就易于产生气孔。

　　4、硫含量低，作为原材料用感应电炉生产灰铸铁件时，孕育处理的难度大，需做增硫处理。

　　二、在改进高纯生铁方面已进行的工作

　　为了使高纯生铁的用户在提高产品质量、降低生产成本和节能减排等方面取得更大的效益，日本神户制钢所近年来在高纯铸铁的改进方面进行了大量的研究工作，在以下几方面，都已取得了很好的效果。

　　1、提高高纯生铁的硅含量

　　高炉铁液经氧化处理后，提高其硅含量、脱氧，使其碳当量接近于共晶成分，并采取脱氮的措施。经这种改进后，有以下的效果：

　　l 生铁锭的熔点降低，用作感应电炉的炉料，可降低熔炼过程的能耗;

　　l 铸铁的过冷度降低，生产灰铸铁件时，孕育处理效果好，有利于生产薄壁件;

　　l 用以制成的球墨铸铁，伸长率提高，韧性改善;

　　l 铸件产生气孔的几率减少。

　　2、为生产灰铸铁件提供有一定硫含量的高纯生铁

　　用感应电炉熔炼灰铸铁时，为保证孕育处理的效果良好，必须使铁液中的硫含量为0.06～0.08%。通常采取的措施是向炉内加入FeS，但是，在电炉中熔炼的过程中，用此种工艺增硫，硫的收得率不稳定。

　　为了孕育处理的效果稳定，以保证铸件质量的一致性，高纯生铁中有一定的硫含量是非常必要的。其具体含量，可按客户的要求具体商定。

　　3、对提供的生铁锭进行防锈处理

　　铸造厂用电炉熔炼时，严格控制炉料中的水分是非常必要的。炼铁厂供应的生铁锭，如果在储运过程中因受潮而在表面产生红色的铁锈，其中含有结晶水，就可能影响铸件产品的质量。抑制红色铁锈的产生，也是值得注意的问题。

　　神户制钢所，在其生铁锭的生产过程中，将已成形的生铁锭，在高温下自型中取出，置专用的设备中，使其表面产生不含结晶水的黑色的铁锈，以防止其此后在储运过程中产生红色铁锈。

　　三、高纯生铁应用前景的展望

　　近年来，一些工业国家铸造行业中，高纯生铁的应用已显现很好的势头。根据日本已发表的、不完全的统计数字：1997年，全国消费的铸造生铁中，高纯生铁所占的比重不到20%;2002年即增长到31%。另外，据神户制钢所的报道，该公司近期销售的铸造生铁中，高纯生铁约占60%。

　　随着高纯生铁品质的不断改善、品种逐步增多、价格不会很高、而且能适应不同客户多方面的要求，其应用的前景非常看好。

　　日本有人认为，采用感应电炉熔炼的铸铁企业，高纯生铁在炉料中所占的比重仍将继续提高，今后，有可能只用很少量的优质废钢调整碳含量，而以回炉料和高纯生铁作为主炉料。这样，对于铸造企业提高产品质量和降低生产成本都将大有裨益。

　　注：本文中主要资料取自李传栻先生、曾艺成先生、钱立先生等发表的文章，加上本人长期观察冀州春风铁厂的生铁在各铸造厂的实际使用时对比其他厂生铁出现的一些质量问题后的一点认识。